鈦合金焊接結構在先進飛行器中的應用及發展

孫培業

摘要：本文主要介紹了鈦合金在先進飛行器中的有效應用，結合飛行器的研究現狀和鈦合金的工藝特性對其進行分析，希望能對相關研究人員給予一參考和幫助。

關鍵詞：鈦合金；飛行器；工藝特性；應用

飛行器對人們的日常出行和保衛國家的安全具有重要的作用，因此，關于飛行器的研究一直在進行，特別是針對制造飛行器的材料方面。由于飛行器工作過程中一些重要部位需要使用質輕且強度高，耐高溫腐蝕等材料，經過長時間的研究和實驗發現，鈦合金材料最符合當前飛行器制造過程中的要求，與此同時，與航空事業相關的特種焊接技術也得到快速的發展，由此而形成的鈦合金焊接結構航空飛行器的制造提供了重要的技術支持，也為進一步推動航空飛行器的發展起到了積極的作用。

一、鈦及鈦合金材料的特點

鈦合金從上世紀六十年代開始被廣泛使用，近些年，隨著航空航天事業的飛速發展，飛行器在制造的過程中對材料的性能要求逐漸提升，而鈦合金具有的優越性能也使其成為了在飛行器制造過程中使用最多的材料。相較于目前在工業領域使用最多的鋼結構材料來說，鈦合金具有以下四個突出的優點：第一，密度小，其密度僅為4.5g/cm3，同等體積的情況下，鈦合金材料的質量僅為鋼材的百分之六十，這對于航天飛行器來說是一個不可多得的優點；第二，熔點高，航天飛行器在使用的過程中，在穿越大氣層的時候必然會與空氣發生摩擦從而導致飛行器表面溫度升高，普通材料無法承受該溫度會發生融化，嚴重情況下導致飛行器機身損毀，而鈦及鈦合金材料所具有的耐高溫特性，其所能承受的溫度最高可達1668℃，使用該材料做成的飛行器外層保護涂層可以有效防止運行過程中因高溫造成的殼體融化，對飛行器內部結構起到有效的保護作用；第三，韌性好，鈦及鈦合金材料在低溫狀態至溫度為500℃之間都能保持很好的韌性，能夠滿足飛行在不同環境下的工作條件；最后一點則是鈦及鈦合金具有很高的強度，在使用的過程中作為飛行器機殼材料能很好的防止外部撞擊，并對內部的物體和結構起到很好的保護作用。除此之外，鈦及鈦合金還具有很好的耐腐蝕能力，飛行器需要在超高溫、真空、強腐蝕、超低溫等一些極端的環境條件下工作，而鈦及鈦合金材料所具有的一些優點能夠幫助飛行器在極端條件下正常的運行，因此，使用鈦及鈦合金材料能夠幫助飛行器安全且高效的工作。

二、鈦及鈦合金焊接結構在先進飛行器中的有效應用

（一）鈦及鈦合金焊接結構的問題

鈦是一種化學性質非常活潑的金屬，由鈦及其合金組成的材料在進行焊接的過程中，受高溫熔融、低溫或常溫冷卻等過程的影響，勢必會對材料內部的晶體結構產生影響，從而會對最終形成的鈦合金結構件的力學性能造成不利的影響。

總的來說，經過焊接成型的鈦合金結構產生的主要問題有以下兩個方面；第一，氧化和氮化，在高溫熔融的過程中，鈦及鈦合金可以與周圍環境周的H、O、N等元素發生化學反應，從而在結構內部形成孔隙，而這些孔隙在形成后很難消除，并會影響最終形成結構的塑性；第二，體積異變和脆化，鈦合金材料在高溫焊接的過程中極易發生同素異構的變化，由此造成材料內部的晶格常數發生變化，導致材料的體積出現變化，使得焊接結構件內部晶粒粗大，而在鈦合金本身具有的熱傳導率低，導熱性差的特點也會使得焊縫的熔池在高溫區域長時間停留，這種情況下材料在進行組織轉變的過程中會使得焊縫處的金屬結構發生脆化，降低了該結構件的強度。

（二）鈦及鈦合金焊接結構在先進飛行器中的有效應用

在最初的應用中，上述缺陷問題阻礙了鈦及鈦合金焊接結構的發展，但是進入到二十一世紀后，隨著材料科學研究的進步和發展，針對鈦合金焊接結構的一些缺陷問題也得到了解決，另外一些無法避免的問題則通過研究新的鈦合金材料種類去替代，由此也為飛行器的研究和發展帶來更多的發展動力。目前，美國和俄羅斯在鈦及鈦合金焊接結構應用于先進飛行器的研究方面處于世界領先的地位。

美國作為世界上的軍事大國，擁有世界最先進的戰斗機，為了滿足戰斗機本身安全性、隱蔽性和機動性，相關專家選取幾種不同的鈦合金材料，包括了對高強韌鈦合金Ti62222S和高溫鈦合金Ti6Al4V等，通過結合鈦合金材料的應用部位及結構，綜合分析了材料的性能，通過綜合對比結果發現Ti6Al4V合金所具有的綜合性能最符合飛行器工作環境的需求，其韌性好，可塑性強，同時還具有良好的損傷容限，此外該合金還具有良好的焊接工藝性，能夠在焊接后最大程度保持原有的特性，由此，Ti6Al4V成為了第一代大量應用于飛行器關鍵部位制造的鈦合金材料，但是，隨著時間的流逝，該合金制造的飛行器在應用過程中也體現出來一些問題，例如，耐熱性和冷加工特性差且制造工藝流程十分復雜等，這些問題迫使有關方面的專家繼續對鈦合金進行研究，并在此基礎上發現能替代該合金且綜合性能更優越的材料，之后成功研究出來的Ti1100便是能替代Ti6Al4V的新的合金種類，目前一杯大量應用于飛行器機身及其他重要的部位。

俄羅斯的軍事力量是世界上唯一能與美國相抗衡的國家，每年都會花費大量的人力、物理和財力在軍事研究上，在最初發現鈦合金焊接結構在飛行器制造行業存在著巨大的發展潛力時，便將對該結構的研究納入政府計劃研究板塊，并對此進行了大量的實驗研究，最終成功將鈦合金焊接結構件應用于起蘇27戰機的主承重部分，不僅降低了戰斗機本身的重量，而且節約了戰斗機的制造成本，為該國的軍事大國地位奠定了良好的基礎，隨后俄羅斯加大力度對鈦合金焊接結構進行研究，并在之后的戰斗機中大量使用鈦合金材料，在不減少戰斗機作戰能力的前提下多次提升戰斗機的綜合作戰能力。

三、總結與發展

鈦合金的出現帶領世界制造業向優質輕型發展，同時也為世界各國的軍事航空事業打開新的研究之門。隨著各國對軍事航空事業的重視和深入研究，在不久的將來，鈦合金焊接結構將會在世界制造業的大舞臺上大放光彩。

參考文獻：

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